Единая энергетическая система России (ЕЭС России) обеспечивает нашу страну тепловой и электрической энергией, производимой АЭС и ТЭЦ. Однако, на территории Российской Федерации имеются регионы, которые не охвачены централизованным энергоснабжением. По разным подсчетам их процент составляет от 60 до 70 от общей площади государства. Количество людей, проживающих в отдалении от центров подачи энергии разного типа, составляет приблизительно 20 миллионов. Это значит, что большой процент населения просто не может получать все ресурсы, которые необходимы для обеспечения его нормальной жизнедеятельности.

Решению данной проблемы может помочь малая энергетика, которая включает в себя объекты с малой установленной мощностью, оснащаемые установками, генерирующими электрическую и тепловую энергию, использующими традиционные и нетрадиционные виды топлива. Такие установки могут быть как стационарными, так и передвижными, поэтому их применение в некоторых случаях является единственной разумной альтернативой централизованному энергоснабжению.

Стоимость электроэнергии, поставляемой централизованными электросетями, из года в год растёт, однако при этом качество поставляемой электроэнергии лучше не становится. В отдаленных районах, а также в сельской местности даже вблизи больших городов всё также нередко случаются перебои с электричеством, а также возникают проблемы с отклонениями от номинального (220 В) подаваемого напряжения. Причинами могут быть более низкое или чрезмерно высокое напряжение в электросети, причём эти отклонения зачастую превышают 10%, установленные ГОСТ 13109–97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ».

Вот почему установки автономного электроснабжения в виде малых тепловых электростанций постоянно совершенствуются и находят все более широкое применение. За последние 15 лет мировой, и, в частности, российский рынок установок такого рода, вырос почти вдвое. При этом технологии локальной генерации электроэнергии стали настолько совершенными, что себестоимость одного киловатт-часа электричества, вырабатываемого установками автономного электроснабжения, зачастую получается ниже, чем стоимость электричества, получаемого из централизованных электросетей

Системы генерации энергии обычно рассматриваются как тепловые двигатели для преобразования подводимой тепловой энергии в работу, которая затем преобразуется в электрическую энергию. Подвод теплоты осуществляется за счет сжигания ископаемого топлива (угля, нефти и природного газа), а также биомассы, обработки ядерного топлива или получения тепловой энергии из возобновляемых источников энергии.

В настоящее время существуют генерирующие электроэнергию системы, применяющие различные силовые агрегаты: двигатели с искровым зажиганием (ДВС), двигатели с воспламенением от сжатия (дизель), паровые турбины, газотурбинные установки, электростанции с комбинированным циклом, атомные и гидроэлектростанции. Принцип работы всех электрогенерирующих систем заключается во вращении вала, с помощью которого приводится в движение электрический генератор, который преобразует вращательную механическую энергию вала в электрическую.

В автономных электрогенерирующих системах используются два типа силовых двигателей: поршневые и турбомашины. В поршневых машинах давление расширяющегося газа преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращение вала. Турбомашины (турбины) преобразуют кинетическую энергию газа или жидкости непосредственно во вращение вала. Иными словами, все электрогенерирующие системы представляют собой термомеханические преобразователи энергии, каждый из которых работает по своему определенному термодинамическому циклу.

Силовыми агрегатами, или приводами электрических генераторов для автономных малых тепловых электростанций, могут быть дизельные, газопоршневые, микротурбинные и газотурбинные двигатели.

Дизель-генераторные установки (ДГУ)

Дизельные поршневые двигатели, применяемые для электрогенерирующих установок, отличаются от классических двигателей внутреннего сгорания (ДВС) принципом воспламенения рабочий смеси в цилиндре. В дизельных двигателях воспламенение рабочей смеси происходит от сжатия, тогда как в ДВС, от внешнего источника. Более высокий, по сравнению с двигателями с искровым зажиганием, тепловой КПД дизельных двигателей сделал их наиболее предпочтительными для выработки электроэнергии в малых электрогенерирующих установках или для электростанций средней мощности.

Автономное производство электроэнергии с использованием ДВС стало популярным в последние четыре десятилетия. Электрогенерирующие установки представляют собой комбинацию дизельного двигателя с электрическим генератором переменного тока. Такие установки используются в качестве резервного или аварийного источника электропитания в больницах, аэропортах, банках, ЦОДах и т.п., то есть там, где жизненно важно поддерживать бесперебойную подачу электроэнергии. Эти небольшие электростанции, обеспечивают надежное электроснабжение в любое время и при любых погодных условиях. В настоящее время около 10-15% от общей установленной мощности в мире приходится на производство электроэнергии с помощью тепловых двигателей различного типа.

Дизельный двигатель обычно предназначен для работы на дизельном топливе, но некоторые типы адаптированы для других видов жидкого топлива или природного газа. Комбинация дизельного двигателя, электрического генератора и различных вспомогательных устройств, таких как: рамное основание, навес, шумоглушащие панели, системы пуска и управления, автоматические выключатели, система охлаждения рубашки двигателя, определяется как «генераторная установка» или, в данном случае «дизельная генераторная установка», для краткости «ДГУ».

ДГУ варьируются в зависимости мощности и генерируемого напряжения. Например, установки мощностью от 8 до 30 кВт (также от 8 до 30 кВА, однофазные) предназначены для индивидуальных жилых домов, небольших магазинов и офисов. Более крупные ДГУ представляют собой промышленные генераторы электроэнергии мощностью от 8 кВт (11 кВА) до 2000 кВт (2500 кВА, трехфазные), используемые для больших офисных комплексов, производственных и других промышленных объектов, включая центры обработки данных (ЦОД).

Установка мощностью 2000 кВт может быть размещена в контейнере ISO 40 футов (12 м) с топливным баком, элементами управления, оборудованием для распределения энергии и всем другим оборудованием, необходимым для работы в качестве автономной электростанции или в качестве резервного источника сетевого электропитания. Эти агрегаты, называемые силовыми модулями, представляют собой генераторные установки на больших трехосных прицепах общим весом порядка 40 тонн, или более. Комбинация этих модулей используется для небольших электростанций, и они могут использовать от одного до 20 блоков, объединенных между собой кабелями управления, образуя синхронизированную силовую установку.

ДГУ могут оснащаться различными опциями в зависимости от конкретных условий эксплуатации, как например:
• панели управления для автозапуска и параллельного подключения к стационарной электросети;
• акустические кожухи для стационарных или мобильных установок;
• вентиляционное оборудование;
• системы подачи топлива и отвода теплоты выхлопных газов;
• системы охлаждения двигателя.

Для небольших дизель-генераторных установок с выходной мощностью от 1 кВт до 125 кВт в основном используются среднеоборотные дизельные двигатели, работающие с частотой вращения 1500 об/мин, как с воздушным, так и с водяным охлаждением.

Как правило, дизельные двигатели имеют КПД около 35%, поэтому остальная часть потребляемой энергии тратится впустую. Несмотря на постоянные модернизации конструкции дизельных двигателей, имеющих целью улучшение их эффективности, значительное количество энергии все еще выбрасывается в окружающий воздух вместе с выхлопными газами. Например, в двигателях с водяным охлаждением около 25% и 40% подводимой энергии тратится на циркуляцию охлаждающей жидкости и выхлопные газы соответственно. В результате исследований было обнаружено, что для типичного 3,0-литрового двигателя с максимальной выходной мощностью 115 кВт, в диапазоне обычного режима работы двигателя, общая рассеиваемая отработанная теплота может варьироваться от 20 кВт до 40 кВт.

Газопоршневые установки (ГПУ)

Также как и дизель-генераторные установки, это оборудование предназначено для автономной электрификации различных объектов. В отличие от ДГУ, силовой агрегат газопоршневой установки работает по циклу Отто, то есть представляет собой классический двигатель внутреннего сгорания, с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием горючей смеси в камере сгорания. Энергия, выделившаяся при сгорании топлива в газовом двигателе, производит механическую работу вращающегося вала, которая используется для выработки электроэнергии генератором электрического тока. Газовые двигатели используются для работы в составе генераторных установок, предназначенных для постоянной или периодической работы (пиковые нагрузки), а также в качестве аварийных источников электрической и тепловой энергии, обеспечивая обслуживаемые объекты электричеством и горячей водой.

Современные дизельные и газопоршневые установки могут иметь различные модификации и исполнения. Они различаются по следующим параметрам.
• По способу защищенности от воздействия атмосферы: контейнерные, кузовные, капотные, безкапотные;
• По способу установки: стационарные или передвижные (мобильные);
• По способу перемещения: блочно-транспортабельные, на раме-салазках, на автомобиле, на полуприцепе, на прицепе.

Процесс получения двух видов энергии, тепловой и электрической, называется «когенерация». В том случае, если в газопоршневых электростанциях используется технология, позволяющая получать ещё и холод, который используется в системах холодоснабжения и кондиционирования воздуха, то данная технология называется «тригенерация».

Газовые двигатели могут использовать различные виды топлива:
• магистральный природный газ;
• газы с низкой теплотворной способностью и низкой степенью детонации;
• газы с невысоким содержанием метана или газы с высокой теплотворной способностью.

Некоторые ГПУ могут перенастраиваться для работы с одного вида газа на другой. Кроме того, имеется возможность применения двигателей, работающих одновременно на жидком и газообразном видах топлива. Они могут работать на пропан-бутановых смесях, на природном газе (сжиженном, сжатом, магистральном), на попутном нефтяном газе, на различных промышленных газах (пиролизном, коксовом, биогазе, шахтном, газе сточных вод и т.д.).

Помимо силового агрегата и электрогенератора газопоршневые установки включают в себя также и другие системы:

Дизельные генерирующие установки (ДГУ) и газопоршневые установки (ГПУ), имеющие в своем составе поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) обладают следующей особенностью. Технологический минимум загрузки составляет порядка 30…40% от номинальной мощности, что особенно критично при комбинированном режиме работы. То есть, режимы работы ГПУ часто меняются из-за непостоянства температуры и давления наружного воздуха, а также из-за возможного изменения нагрузки потребителя. При комбинированном режиме работы допускается эксплуатация ДГУ и ГПУ с загрузкой генератора от 20% до 40% от номинальной мощности, но не чаще 6 раз в год и на срок до 24 часа.

Газотурбинные установки (ГТУ)

Основой газотурбинных установок (ГТУ) является газовая турбина, устроенная по принципу реактивного самолетного двигателя. Она представляет собой цилиндрическую камеру сгорания, в которой размещено основное рабочее колесо газовой турбины. В камеру поступают воздух и пары топлива под высоким давлением, где они воспламеняются. В процессе сжигания топлива образуется поток раскаленных газов, который воздействует на лопатки турбины, создавая крутящий момент. Турбина в свою очередь передает вращение на компрессор и электрогенератор, обеспечивая, таким образом выработку электроэнергии. Электрическая мощность газотурбинных энергоустановок находится в диапазоне от десятков кВт до десятков МВт.

Характерно, что турбинные электростанции производят тепловой энергии почти вдвое больше, чем электрической. Поэтому их часто используют как составляющую ТЭЦ путем установки в системе удаления выхлопных газов котла-утилизатора, что позволяет не только вырабатывать электроэнергию, но и обеспечивать теплоснабжение обслуживаемого объекта в требуемом объеме и по минимальной стоимости.

Современные газотурбинные установки (ГТУ) подразделяются на два основных типа:
• Установки, созданные на базе авиационных реактивных газотурбинных двигателей;
• Установки, созданные специально для применения в энергетике.

ГТУ на базе авиационных двигателей имеют минимальные массогабаритные характеристики, отличаются технологичностью обслуживания, меньшими требованиями к инфраструктуре, но также и меньшим сроком эксплуатации.

Если среди установленных на рынке ГТУ в диапазоне мощностей от нескольких мегаватт до 15…20 МВт преобладают авиационные генераторы, то в диапазоне мощностей свыше 100 МВт применяются специализированные ГТУ, специально разработанные для энергетической промышленности.

Газопоршневые установки имеют меньший, чем газотурбинные удельный расход топлива на выработанный кВт•ч, причем при любом нагрузочном режиме. Это объясняется тем, что КПД поршневых машин составляет 36 ~ 45%, а газовых турбин - 25 ~ 34%.

С точки зрения экономичности КПД привода ГПУ мало меняется при нагрузке от 100% до 50% мощности, тогда как КПД привода ГТУ резко снижается при частичных нагрузках. Однако, работа ГТУ при частичных нагрузках (менее 50%) не влияет на состояние турбины при высокой единичной мощности агрегата, тогда как для ГПУ, при меньшей единичной мощности агрегата, не желательна долгая работа при нагрузках менее 50%, поскольку это сильно влияет на интервалы для технического обслуживания.

Нижний предел минимальной электрической нагрузки, официально заявляемый заводами-производителями турбин, составляет 3–5%, но в таком режиме расход по топливу возрастает на 40%. Максимальная нагрузка газотурбинной установки, в ограниченных временных интервалах может достигать 110-120%.

Поведение газотурбинных установок при изменении нагрузки имеет ряд особенностей, отличающих их от других энергетических установок:
1. Резкое падение КПД при снижении нагрузки является существенным недостатком, присущим особенно энергетическим ГТУ. ГТУ, созданные на базе авиационных двигателей, располагают более развитым механизмом управления лопаточным аппаратом компрессора, что частично нивелирует этот недостаток. Кроме этого, возможность управления частотой вращения вала турбины позволяет поддерживать оптимальный уровень КПД. Тем не менее, весьма проблематично эффективное использование ГТУ в диапазоне нагрузок ниже 50-60%.
2. Высокая эффективность и минимальное время выхода на рабочий режим является достоинством ГТУ. Даже для крупных газотурбинных установок время выхода на полную мощность измеряется десятками минут, в отличие от применяемых на стационарных ТЭЦ паротурбинных установок, где процесс пуска из холодного состояния занимает десятки часов.
3. Большинство ГТУ обладают способностью к перегрузке, т.е. увеличению мощности сверх номинальной, что достигается путем повышения температуры рабочего тела турбины.

Газотурбинная установки состоит из следующих компонентов:
• силовая турбина;
• электрический генератор;
• газовоздушный тракт;
• система управления;
• вспомогательные устройства (пусковое устройство, компрессор, теплообменный аппарат или котел-утилизатор для подогрева сетевой воды для промышленного использования).

Силовая турбина и генератор размещаются в одном корпусе. Использование теплоты выходящих из турбины газов посредством теплообменника обеспечивает увеличение общего КПД газотурбинной установки.

Оптимальным режимом работы ГТУ является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии (когенерация).

Наибольший КПД достигается при работе в режиме когенерации или тригенерации (одновременная выработка электрической, тепловой энергии и энергии холода).

Электрический КПД современных газотурбинных установок составляет 33-39%. С учетом высокой температуры выхлопных газов в ГТУ, комбинированное использование для энергоснабжения объектов газовых и паровых турбин позволяет повысить эффективность использования топлива и увеличивает электрический КПД установок до 57-59%.

Газотурбинные установки предназначены для эксплуатации на объектах производственного или бытового назначения в качестве основного или резервного источника электрической и тепловой энергии в любых климатических условиях. Степень автоматизации ГТУ позволяет отказаться от постоянного присутствия в блоке управления обслуживающего персонала.

Область применения газотурбинных установок практически не ограничена. ГТУ применяются в:
• нефтегазодобывающей промышленности;
• металлургии;
• различных отраслях легкой промышленности;
• коммерческих и муниципальных ТЭЦ.

В ГТУ могут использоваться различные виды газообразного и жидкого топлива:
• дизельное топливо;
• керосин;
• природный газ;
• попутный нефтяной газ (ПНГ);
• биогаз (образованный из отходов сточных вод, мусорных свалок и т.п.);
• шахтный газ;
• коксовый газ;
• древесный газ и др.

Дезинфекция воздуха в системах вентиляции и кондиционирования

Большинство газотурбинных установок могут работать на низкокалорийном топливе с минимальной концентрацией метана (до 30%). В связи с чем, возможность получения недорогой тепловой и электрической энергии предполагает их быструю окупаемость.

Преимуществом при использовании ГТУ непосредственно в местах проживания людей, является то, что содержание вредных выбросов у них минимально и находится на уровне 9-25 промилле. Этот показатель у газотурбинных значительно ниже, чем у поршневых электростанций. При использовании ГТУ потребитель может получить существенную экономию средств на катализаторах и при строительстве дымовых труб.

Системы дезинфекции теплообменников охладителей вентиляционных установок считаются одними из наиболее эффективных способов ультрафиолетового излучения, в основном благодаря тому факту, что они позволяют экономить энергию. Ультрафиолет может очищать поверхности теплообменников от микробиологических загрязнителей в виде отложений грибковых спор и бактерий. При этом снижается сопротивление воздушному потоку, и, соответственно, потребление энергии, с одновременным уменьшением количества инфекций, передающихся в обслуживаемые помещения по загрязненным элементам вентиляционного оборудования и вентиляционных каналов.

Современные газотурбинные установки отличает высокая эффективность, технологичность и надежность. Они сочетают в себе отличные технические и эксплуатационные характеристики, созданные для генерации электрической и тепловой энергии высокого качества из газообразного и жидкого топлива при минимальных экологически вредных выбросах. Применение инновационных технологий, защищенных более чем 100 патентами, позволяет получать тепловую и электрическую энергии по ценам более чем в 2-3 раза ниже сетевых тарифов, а также получать холод для систем кондиционирования и холодоснабжения практически бесплатно.

Системы охлаждения ГТУ

С момента появления первых турбогенераторов (почти 100 лет назад), вместе с другими характеристиками этих устройств усовершенствовалась и конструкции систем их охлаждения. Примерно пятьдесят лет назад системы охлаждения перешли от воздуха к водороду и даже к воде для прямого охлаждения статора и ротора генератора, поскольку эти среды оказались более эффективными теплоносителями. Тем не менее, разработки генераторов с воздушным охлаждением продолжалась, время от времени стимулируемые повышением номинальных характеристик газовых турбин, как наиболее распространенного силового агрегата, для этого типа генераторов.

Хотя воздух является самым простым в обращении теплоносителем, он имеет относительно небольшую охлаждающую способность. Например, теплопроводность водорода в семь раз выше, чем у воздуха. При этом плотность водорода составляет всего одну десятую от плотности воздуха при одинаковом абсолютном давлении и объемной удельной теплоемкости. С другой стороны, генераторы с водородным охлаждением имеют более сложную конструкцию, поскольку, в отличие от генераторов с воздушным охлаждением, они требуют более прочного герметичного корпуса, специальной системы уплотнений вала и наличия дополнительных устройств подготовки охлаждающего газа.

Именно здесь воздушное охлаждение имеет свое первое преимущество: более низкие капитальные затраты несмотря на то, что блок с воздушным охлаждением имеет большие массогабаритные характеристики при той же установленной мощности. Более того, обслуживание машины с воздушным охлаждением намного технологичнее и, следовательно, более экономично, чем у машин с водородным и водяным охлаждением. Частично это связано с обучением обслуживающего персонала, которое требуется для эксплуатации генераторов с водородным охлаждением.

Еще одно преимущество агрегатов с воздушным охлаждением заключается в том, что, поскольку для капитального ремонта требуется меньше времени, увеличивается их эксплуатационная готовность. Напротив, для машин с водородным охлаждением необходимы сложные процедуры продувки диоксидом углерода перед разгерметизацией корпуса и после заправки при повторном заполнении водородом. Несмотря на более низкий КПД турбогенератора с воздушным охлаждением, указанные преимущества в большинстве случаев приводят к значительной экономии затрат.

Сравнение ГПУ и ГТУ

Сравнение турбинных и поршневых двигателей для применения на мини-ТЭЦ показывает, что установка газовых турбин наиболее выгодна на крупных промышленных предприятиях, которые имеют значительные (больше 10-12 МВт) электрические нагрузки, собственную производственную базу, высококвалифицированный персонал, подключение газового трубопровода высокого давления.

Газотурбинная установка способна отдать в 1,5 раза больше бесплатной тепловой энергии, нежели поршневой агрегат аналогичной мощности. При использовании мощной (от 50 МВт) автономной ТЭЦ в коммунальном хозяйстве, например, это может иметь определяющее значение при выборе типа силовых агрегатов, особенно при большом и равномерном потреблении именно тепловой энергии.

Однако, там, где тепловая энергия в больших количествах не требуется, а нужен акцент именно на производстве электрической энергии, будет экономически целесообразнее использование газопоршневых установок.

Методы охлаждения энергетических установок

Эксплуатация дизель-генераторных (ДГУ) или турбогенераторных установок, применяемых в качестве основного или резервного оборудования для выработки электрической и тепловой энергии, предъявляет определенные требования к окружающей среде внутри стационарного или передвижного помещения, в котором они расположены.

В первую очередь — это шумоизолированность, пыленепроницаемость и температура рабочей среды. Для обеспечения температуры рабочей среды таких установок решающее значение имеет система вентиляции. Система вентиляции решает задачи по защите оборудования от пыли и подаче свежего воздуха, необходимого для его работы. Кроме этого, система вентиляции является одним из способов отвода избыточной теплоты, неизбежно возникающей в процессе работы энергетических установок.